빔 프로젝트 쏴서 뇌 연결지도 만든다… “뇌 구조·기능 비밀 푼다”

기초과학연구원 뇌과학 이미징 연구단 김성기 단장 연구팀

기능적 자기공명영상(fMRI)을 이용해 뇌 지도를 촬영하고 있다. /IBS

국내 연구진이 뇌의 전체 영역을 스캔해 뇌 연결 지도를 만드는 기술을 개발했다. 뇌 질환이나 약물중독 치료 기술 개발에 쓰일 것으로 기대된다.

기초과학연구원 뇌과학 이미징 연구단 김성기 단장(성균관대 글로벌바이오메디컬공학과 교수) 연구팀은 빔 프로젝터로 패턴화한 광유전학 자극으로 살아있는 마우스의 대뇌 피질 활동을 자유롭게 조절하고, 기능적 자기공명영상(fMRI)으로 뇌의 전체 영역을 스캔해 뇌 연결 지도를 만드는 기술을 개발했다. 이 연구에는 서울대 생명과학부 최명환 교수 연구팀이 공동으로 참여했다.

광유전학은 유전학적 기법을 이용해 특정 세포에 빛을 감지할 수 있는 단백질을 발현시키고 빛을 이용해 세포를 제어하는 기술이다. 이 기술은 특정 영역의 뇌 세포 활동을 조절하여 단일 뇌 영역과 전체 뇌 회로 및 행동 간의 인과적 관계를 연구하는 데 널리 사용된다. fMRI는 뇌 전체의 활성을 스캔하여 광유전학적으로 유발된 특정 뇌 영역의 활동에 의한 뇌 전체의 변화를 확인할 수 있다.

연구진은 기존의 광섬유를 삽입하는 방법 대신 마우스의 대뇌 피질에 직접 빛을 쏘는 방법을 고안했다. 두개골을 치과수술용 드릴을 이용해 얇게 갈아내고, 약품을 처리해 뇌가 들여다보이도록 두개골 윈도(Thinned-skull Cranial window)를 만들었다. 여기에 고출력 광유전학 자극 레이저를 장착한 빔 프로젝터를 이용해 대뇌 피질 전반에 직접 빛을 쏴 효과적으로 광유전학 자극이 가능하도록 했다.

연구진은 이 기술을 이용해 하나의 마우스 실험개체에서 대뇌 피질 전반에 다양한 뇌 영역들을 순차적으로 자극했다. 그리고 fMRI로 전체 뇌를 스캔하여 얻은 뇌 활성반응에 대한 대량의 데이터를 통해 뇌 영역 간 상호작용의 인과적 관계를 나타내는 유효 연결성 지도를 완성했다.

이번 연구는 특정 뇌 상태와 연관된 뇌 회로를 추출하는 새로운 방법을 제시했고, 이는 뇌 질환 및 약물 등으로 인한 뇌 기능 저하의 메커니즘을 밝히는 데 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.

김 단장은 “이 기술은 살아있는 동물에서, 다양한 대뇌 피질 영역에서 전체 뇌로의 기능적 회로를 매핑하고, 뇌의 상태에 따른 변화를 측정하는 혁신적인 기술”이라며, “뇌 전체의 유효 연결성과 구조적 연결성을 직접 비교해 뇌의 구조와 기능에 대한 심층적인 연구가 가능해졌다”고 전했다.

이번 연구 결과는 뇌과학 분야 국제학술지 뉴런에 31일(한국시각) 온라인 게재됐다.

참고자료

Neuron, DOI : https://doi.org/10.1101/2022.07.12.499420

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